分光器
【課題】 信頼性を維持しつつ小型化を図ることができる分光器を提供する。
【解決手段】 分光器１は、導光部７が設けられたキャップ４と、ステム５と、を有するパッケージ２と、パッケージ２内においてステム５に支持された支持部材２９と、支持部材２９に支持された基板１１と、基板１１に搭載された光検出素子１２と、基板１１とステム５との間に配置され、導光部７から入射した光を分光すると共に光検出素子１２に反射する分光部１３と、を備える。
【解決手段】 分光器１は、導光部７が設けられたキャップ４と、ステム５と、を有するパッケージ２と、パッケージ２内においてステム５に支持された支持部材２９と、支持部材２９に支持された基板１１と、基板１１に搭載された光検出素子１２と、基板１１とステム５との間に配置され、導光部７から入射した光を分光すると共に光検出素子１２に反射する分光部１３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージ内に分光モジュールが収容されてなる分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光器は、測定対象となる光をプリズムや回折格子等の分光部で各スペクトル成分に分解する光学装置である（例えば、特許文献１参照）。このような分光器によれば、分光部で分光された光のスペクトル成分を光検出素子により検出することで、光の波長分布や特定波長成分の強度等を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１４５７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、様々な分光測定装置や測定システムに対して適用される小型の分光器の開発が進められている。小型の分光器においては、光入射部、光検出素子、分光部等の各光学要素を高い位置精度で配置すると共に、パッケージをコンパクトにする必要がある。このような小型の分光器は、使用場所を問わずその場での光分析を可能にし、環境計測、果物等の糖度確認、プリンタ等の色補正等に使用することができる。そのため、使用環境によっては、分光器に振動や熱的負荷が加えられ、各光学要素の位置精度に影響を及ぼすことがある。したがって、特に小型の分光器には、様々な使用環境に対応するため高い信頼性が要求される。
【０００５】
上記特許文献１には、各種光学素子が装着される光学ベンチと、この光学ベンチが収容される容器とを備える分光器が開示されている。この分光器においては、光学ベンチは、光学素子が取り付けられる素子取付部と、容器に固定される容器固定部とを有し、素子取付部は、容器固定部に対して片持ちはりの構造で形成されている。
【０００６】
このような上記特許文献１記載の分光器を小型化した場合、容器の内壁面と、収容される各種光学素子との間隔がより狭くなる。そして、素子取付部が容器固定部に対して片持ちはりの構造で形成されているために、分光器に振動や熱的負荷が加えられると、光学素子が容器の内壁面と接触し、場合によっては破損するおそれがある。
【０００７】
そこで本発明では、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性を維持しつつ小型化を図ることができる分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の分光器は、導光部が設けられたキャップと、ステムと、を有するパッケージと、パッケージ内においてステムに支持された支持部と、支持部に支持された基板と、基板に搭載された光検出素子と、基板とステムとの間に配置され、導光部から入射した光を分光すると共に光検出素子に反射する分光部と、を備える。
【０００９】
また、基板には、導光部から分光部に光を入射させる光入射部が設けられていてもよい。また、光検出素子は、半導体基板を有し、半導体基板には、導光部から分光部に光を入射させる光入射部が設けられていてもよい。また、キャップとステムとは、気密に接合されていてもよい。また、導光部は、キャップに設けられた開口部を覆う入射窓であってもよい。また、分光器は、支持部の外側且つキャップの内側の領域においてステムを貫通し、光検出素子と電気的に接続されたリードピンを更に備えてもよい。また、リードピンは、ステムの互いに対向する一対の側縁部のそれぞれに複数配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、信頼性を維持しつつ、分光器の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の係る分光器の断面図である。
【図２】図１に示した分光器の分解斜視図である。
【図３】図１に示した分光モジュールの断面図である。
【図４】図３に示した光検出素子の斜視図である。
【図５】他の第１実施形態に係る分光器の分解斜視図である。
【図６】更に他の第１実施形態に係る分光器の分解斜視図である。
【図７】更に他の第１実施形態に係る分光器の断面図である。
【図８】更に他の第１実施形態に係る分光器の断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【図１０】図９に示した分光器の分解斜視図である。
【図１１】図９に示した分光モジュールの断面図である。
【図１２】図１１に示した光検出素子の斜視図である。
【図１３】他の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【図１４】更に他の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【図１５】更に他の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の知見は、例示のみのために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
【００１３】
図１及び図２に示されるように、本発明の第１実施形態に係る分光器１は、パッケージ２内に収容された分光モジュール３により、外部からパッケージ２内に入射した対象光を分光し、その分光された光のスペクトルを検出して出力するための装置である。
【００１４】
パッケージ２は、一端が開口された直方体箱状の金属製のキャップ４と、周縁部に段差部が設けられた矩形板状の金属製のステム５とを含む、いわゆるＣＡＮパッケージの構成を有している。キャップ４は、開口端から外側に向かって突出するフランジ４ａを有し、このフランジ４ａとステム５の段差部とが溶接により接合され、開口部分が塞がれている。このため、パッケージ２は、気密なパッケージとすることができ、分光器１の信頼性を高めることができる。キャップ４の上壁４ｂには、円形状に開口したキャップ開口部４ｃが形成され、このキャップ開口部４ｃを覆うように中空のコネクタ６が設けられている。このコネクタ６の中空部分には、光ファイバ７（導光部）が挿入されている。なお、図２においては、コネクタ６及び光ファイバ７は省略されている。この光ファイバ７は、対象光をパッケージ２内に導入するために、キャップ開口部４ｃからパッケージ２内に延びている。ステム５の互いに対向する一対の側縁部に、複数のリードピン９が、電気的に絶縁性を有する低融点ガラス８を介して固定されることで、パッケージ２はハーメティックシール（気密シール）とされている。このリードピン９は、銅線等の導電性材料からなり、その一端部はパッケージ２の内部に延び、他端部はパッケージ２の外部に導出されている。
【００１５】
図３に示されるように、分光モジュール３は、ガラス又は樹脂材料からなる矩形状の基板（本体部）１１を有している。この基板１１は、分光対象となる所定範囲内の対象光Ｌを通過させ、後述する光検出素子１２及び分光部１３を保持するものである。この基板１１においてキャップ４の上壁４ｂに対向する上面１１ａ上の略中央部には、光を検出するための光検出素子１２が設けられている。
【００１６】
図４に示されるように、光検出素子１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる半導体基板１４を有している。この半導体基板１４の上面１４ａ上には、複数のフォトダイオード１５を有するフォトダイオードアレイ１６が所定の配列で形成されている。このフォトダイオードアレイ１６は、分光された光のスペクトル成分の検出に用いられるものである。なお、光検出素子１２はフォトダイオードアレイに限られたものではなく、ＣＣＤイメージセンサやＣ‐ＭＯＳイメージセンサ等であってもよい。
【００１７】
また、半導体基板１４には、上面１４ａから下面へと貫通する矩形スリット状の開口部１７が形成されている。この開口部１７は、本光検出素子１２を基板１１に搭載し分光器に適用した場合に、フォトダイオード１５で検出する対象光を基板１１に入射させるための光入射部として用いられるものである。これは、フォトダイオードアレイ１６に対して所定の位置関係で、あらかじめ位置決めされて設けられている。なお、光入射部（開口部）１７は、半導体基板１４とは別体で基板１１の上面１１ａ上に形成してもよい。
【００１８】
更に、上面１４ａには、電子回路部１８が設けられている。この電子回路部１８には、各フォトダイオード１５へのバイアス電圧の印加及び信号処理に必要な配線や回路等が設けられている。また、上面１４ａ上の左側及び右側の端部には、それぞれ電気信号の入出力等に用いられるバンプ用電極パッド１９が設けられている。
【００１９】
図３に戻って、基板１１の上面１１ａ上には、光検出素子１２の入出力信号等を伝送するための基板配線２１が複数形成されている。各基板配線２１の一端は、光検出素子１２を固定するためのＡｕ等のバンプ２２に接続され、他端は、上面１１ａ上の周縁部に形成された外部入出力のための電極パッド２３に接続されている。光検出素子１２は、フォトダイオードアレイ１６が形成された半導体基板１４の上面１４ａと、基板１１の上面１１ａとが対向するようにバンプ２２によりバンプボンディングされ、基板１１に搭載されている。また、バンプボンディングにより、基板１１と光検出素子１２との間に生じたギャップには、アンダーフィル材２４が充填され、光学的なカップリングがなされている。
【００２０】
また、基板１１の下面１１ｂ（所定の面、上面１１ａと対向する面）において、光入射部１７から入射する対象光Ｌの光路上となる所定の位置には、ガラス又は透光性樹脂等、光を透過する材料からなるグレーティング基体２５が設けられている。このグレーティング基体２５は、基板１１の下面１１ｂ上又はその近傍の所定位置を中心とする基板１１の外側に向かって突出した略半球状のレンズである。このグレーティング基体２５は、基板１１と別体で設けてもよいし、基板１１の下面１１ｂ上に一定の曲率を有する曲面部分を形成することによって基板１１と一体に設けてもよい。
【００２１】
また、グレーティング基体２５の表面には、分光部１３が設けられている。この分光部１３は、光入射部１７から入射してグレーティング基体２５を通過した対象光Ｌを分光するものである。本実施形態に係る分光部１３は、グレーティング基体２５上に設けられた樹脂材料からなる回折層２７と、この回折層２７の表面に設けられたアルミニウム等の金属反射膜からなる反射層２８とから構成された反射型の凹面回折格子である。また、回折層２７の表面、すなわち反射面は、グレーティング基体２５の曲面（表面）の曲率半径と略同一の曲率半径を有し、光の分散方向がフォトダイオードアレイ１６でのフォトダイオード１５の配列方向と一致するように調整され形成されている。本実施形態においては、回折層２７が樹脂材料からなることから、所定の形状に成形することが容易となる。また、支持部材２９により、パッケージ２の内壁面、すなわちステム５と分光部１３とが離間していることから、キャップ４及びステム５の溶接時の熱が分光部１３に伝熱しにくいので、熱に対して不具合の生じやすい樹脂材料からなる回折層２７を保護することができる。
【００２２】
図１及び図２に戻って、上述した分光モジュール３は、パッケージ２内において、分光部１３を包囲するように矩形環状の支持部材２９を介して支持され、ステム５に固定されている。支持部材２９は、分光モジュール３における基板１１の上面１１ａ上に形成された電極パッド２３の位置に対向する下面１１ｂの位置で、基板１１に接合されている。このため、電極パッド２３とリードピン９とをワイヤボンディングによって接続する際に、支持部材２９が基台の役割をはたすので、分光モジュール３の破損等を防止することができる。また、この支持部材２９は、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。更に、矩形環状の支持部材２９の内部に分光部１３が密閉されるように配置されている。これにより、分光部１３がステム５に接触するのを確実に防止することができると共に、分光部１３を迷光から遮光することができる。
【００２３】
また、支持部材２９により固定された分光モジュール３は、その光入射部１７が導光部である光ファイバ７の端部に対向する位置に調整され配置されている。更に、パッケージ２内に導入された光ファイバ７の端部が、分光モジュール３の光入射部１７に当接されるように挿入されている。このため、導光部を構成する光ファイバ７の位置決めが容易となり、光ファイバ７から光入射部１７に確実に光を入射させることができる。
【００２４】
また、基板１１の上面１１ａに形成された電極パッド２３と、ステム５のリードピン９とが、ワイヤ３１によりワイヤボンディングされて電気的に接続されている。
【００２５】
以上の構成を有する分光器１において、光ファイバ７から導入され、光検出素子１２の半導体基板１４に設けられた光入射部１７から入射した対象光Ｌは、基板１１の下面１１ｂに到達し、グレーティング基体２５を通過して分光部１３へと入射する。
【００２６】
入射した光は、分光部１３の反射層２８によって反射されると同時にその波長によって各スペクトル成分へと分解され、グレーティング基体２５を介して基板１１の上面１１ａに向けて出射される。そして、分光された光のスペクトル成分は、上面１１ａ上に設けられたフォトダイオードアレイ１６へと集束されつつ入射し、それぞれ対応するフォトダイオード１５によって検出される。
【００２７】
以上のように、本実施形態に係る分光器１によれば、分光モジュール３が、基板１１の下面１１ｂに設けられた分光部１３がステム５から離間した状態で下面１１ｂにおいて支持部材２９によって支持されているので、分光器１を小型化しても、分光部１３がステム５に接触するのを防止することができる。したがって、分光器１の信頼性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【００２８】
次に、他の第１実施形態に係る分光器について説明する。
【００２９】
図５及び６に示されるように、上記第１実施形態に係る分光器において、支持部材２９の形状を他の形状に代えることができる。
【００３０】
図５に示されるように、他の第１実施形態に係る分光器１ａは、上記第１実施形態の矩形環状の支持部材２９に代えて、一対の棒状の支持部材２９ａが分光部１３を挟んで対向する位置に設けられている。この棒状の支持部材２９ａは、基板１１側においては、基板１１の上面１１ａ上に設けられた複数の電極パッド２３の配列方向に沿って、電極パッド２３に対向する下面１１ｂの位置に接合されている。また、支持部材２９ａは、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。
【００３１】
この他の第１実施形態に係る分光器１ａによれば、棒状の支持部材２９ａが分光部１３を挟んで対向するように一対配置されているので、分光部１３がステム５に接触するのをより確実に防止することができる。
【００３２】
また、図６に示されるように、更に他の第１実施形態に係る分光器１ｂは、上記第１実施形態の矩形環状の支持部材２９に代えて、２対の柱状の支持部材２９ｂが分光部１３を挟んで対向する位置に設けられている。具体的には、この柱状の支持部材２９ｂは、矩形状の基板１１の四つ角部に対応する位置に配置され、基板１１の上面１１ａ上に設けられた電極パッド２３に対向する下面１１ｂの位置で接合されている。また、支持部材２９ｂは、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。
【００３３】
この他の第１実施形態に係る分光器１ｂによれば、柱状の支持部材２９ｂが分光部１３を挟んで対向するように２対配置されているので、分光部１３がステム５に接触するのをより確実に防止することができる。
【００３４】
また、図７及び図８に示されるように、上記第１実施形態に係る分光器において、導光部の構成を他の構成に代えることができる。
【００３５】
図７に示されるように、更に他の第１実施形態に係る分光器１ｃは、上記第１実施形態の光ファイバ７に代えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃを内側から覆うように入射窓７ａが設けられている。この入射窓７ａの材質は、対象光を透過することができれば特に制限されない。例えば、石英、硼珪酸ガラス（ＢＫ７）、パイレックス（登録商標）ガラス、コバール等を用いることができる。また、この入射窓７ａには必要に応じてＡＲ（Anti Reflection）コートを施してもよい。
【００３６】
この他の第１実施形態に係る分光器１ｃによれば、入射窓７ａと分光モジュール３の光入射部１７との距離を正確に規定することができる。
【００３７】
また、図８に示されるように、更に他の第１実施形態に係る分光器１ｄは、上記第１実施形態の光ファイバ７に加えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃにボールレンズ７ｂが設けられている。光ファイバ７は、パッケージ２の内部に延びることなく、ボールレンズ７ｂの上部付近まで延びるように、コネクタ６内の中空部に挿入されている。なお、本実施形態において、光ファイバ７及びコネクタ６を省略し、ボールレンズ７ｂのみを導光部とした構成としてもよい。
【００３８】
また、パッケージについても、上記実施形態で示したＣＡＮパッケージの構成以外にも様々な構成のものを用いてもよい。例えば、リードピンをパッケージの側面側に設けたバタフライパッケージ又はセラミックパッケージの構成を用いることもできる。
［第２実施形態］
【００３９】
図９及び図１０に示されるように、本発明の第２実施形態に係る分光器１は、パッケージ２内に収容された分光モジュール３により、外部からパッケージ２内に入射した対象光を分光し、その分光された光のスペクトルを検出して出力するための装置である。
【００４０】
パッケージ２は、一端が開口された直方体箱状の金属製のキャップ４と、周縁部に段差部が設けられた矩形板状の金属製のステム５とを含む、いわゆるＣＡＮパッケージの構成を有している。キャップ４は、開口端から外側に向かって突出するフランジ４ａを有し、このフランジ４ａとステム５の段差部とが溶接により接合され、開口部分が塞がれている。このため、パッケージ２は、気密なパッケージとすることができ、分光器１の信頼性を高めることができる。キャップ４の上壁４ｂには、円形状に開口したキャップ開口部４ｃが形成され、このキャップ開口部４ｃを覆うように中空のコネクタ６が設けられている。このコネクタ６の中空部分には、光ファイバ７（導光部）が挿入されている。なお、図１０においては、コネクタ６及び光ファイバ７は省略されている。この光ファイバ７は、対象光をパッケージ２内に導入するために、キャップ開口部４ｃからパッケージ２内に延びている。ステム５の互いに対向する一対の側縁部に、複数のリードピン９が、電気的に絶縁性を有する低融点ガラス８を介して固定されることで、パッケージ２はハーメティックシール（気密シール）とされている。このリードピン９は、銅線等の導電性材料からなり、その一端部はパッケージ２の内部に延び、他端部はパッケージ２の外部に導出されている。
【００４１】
図１１に示されるように、分光モジュール３は、ガラス又は樹脂材料からなる矩形状の基板（本体部）１１を有している。この基板１１は、分光対象となる所定範囲内の対象光Ｌを通過させ、後述する光検出素子１２及び分光部１３を保持するものである。この基板１１においてキャップ４の上壁４ｂに対向する上面１１ａ上の略中央部には、光を検出するための光検出素子１２が設けられている。
【００４２】
図１２に示されるように、光検出素子１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる半導体基板１４を有している。この半導体基板１４の上面１４ａ上には、複数のフォトダイオード１５を有するフォトダイオードアレイ１６が所定の配列で形成されている。このフォトダイオードアレイ１６は、分光された光のスペクトル成分の検出に用いられるものである。
【００４３】
また、半導体基板１４には、上面１４ａから下面へと貫通する矩形スリット状の開口部１７が形成されている。この開口部１７は、本光検出素子１２を基板１１に搭載し分光器に適用した場合に、フォトダイオード１５で検出する対象光を基板１１に入射させるための光入射部として用いられるものである。これは、フォトダイオードアレイ１６に対して所定の位置関係で、あらかじめ位置決めされて設けられている。なお、光入射部（開口部）１７は、半導体基板１４とは別体で基板１１の上面１１ａ上に形成してもよい。
【００４４】
更に、上面１４ａには、電子回路部１８が設けられている。この電子回路部１８には、各フォトダイオード１５へのバイアス電圧の印加及び信号処理に必要な配線や回路等が設けられている。また、上面１４ａ上の左側及び右側の端部には、それぞれ電気信号の入出力等に用いられるバンプ用電極パッド１９が設けられている。
【００４５】
図１１に戻って、基板１１の上面１１ａ上には、光検出素子１２の入出力信号等を伝送するための基板配線２１が複数形成されている。各基板配線２１の一端は、光検出素子１２を固定するためのＡｕ等のバンプ２２に接続され、他端は、上面１１ａ上の周縁部に形成された外部入出力のための電極パッド２３に接続されている。光検出素子１２は、フォトダイオードアレイ１６が形成された半導体基板１４の上面１４ａと、基板１１の上面１１ａとが対向するようにバンプ２２によりバンプボンディングされ、基板１１に搭載されている。また、バンプボンディングにより、基板１１と光検出素子１２との間に生じたギャップには、アンダーフィル材２４が充填され、光学的なカップリングがなされている。
【００４６】
また、基板１１の下面１１ｂ（所定の面、上面１１ａと対向する面）において、光入射部１７から入射する対象光Ｌの光路上となる所定の位置には、ガラス又は透光性樹脂等、光を透過する材料からなるグレーティング基体２５が設けられている。このグレーティング基体２５は、基板１１の下面１１ｂ上又はその近傍の所定位置を中心とする基板１１の外側に向かって突出した略半球状のレンズである。このグレーティング基体２５は、基板１１と別体で設けてもよいし、基板１１の下面１１ｂ上に一定の曲率を有する曲面部分を形成することによって基板１１と一体に設けてもよい。
【００４７】
また、グレーティング基体２５の表面には、分光部１３が設けられている。この分光部１３は、光入射部１７から入射してグレーティング基体２５を通過した対象光Ｌを分光するものである。本実施形態に係る分光部１３は、グレーティング基体２５上に設けられた樹脂材料からなる回折層２７と、この回折層２７の表面に設けられたアルミニウム等の金属反射膜からなる反射層２８とから構成された反射型の凹面回折格子である。また、回折層２７の表面、すなわち反射面は、グレーティング基体２５の曲面（表面）の曲率半径と略同一の曲率半径を有し、光の分散方向がフォトダイオードアレイ１６でのフォトダイオード１５の配列方向と一致するように調整され形成されている。本実施形態においては、回折層２７が樹脂材料からなることから、所定の形状に成形することが容易となる。また、支持部材２９により、パッケージ２の内壁面、すなわちステム５と分光部１３とが離間していることから、キャップ４及びステム５の溶接時の熱が分光部１３に伝熱しにくいので、熱に対して不具合の生じやすい樹脂材料からなる回折層２７を保護することができる。
【００４８】
図９及び図１０に戻って、上述した分光モジュール３は、パッケージ２内において、分光部１３を包囲するように矩形環状の支持部材２９（環状部４０）を介して支持され、ステム５に固定されている。支持部材２９は、分光モジュール３における基板１１の上面１１ａ上に形成された電極パッド２３の位置に対向する下面１１ｂの位置で、基板１１に接合されている。このため、電極パッド２３とリードピン９とをワイヤボンディングによって接続する際に、支持部材２９が基台の役割をはたすので、分光モジュール３の破損等を防止することができる。また、この支持部材２９は、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。これにより、分光器１に振動や熱的負荷が加えられても、分光部１３がステム５に接触するのを防止することができる。したがって、分光器１の信頼性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【００４９】
更に、矩形環状の支持部材２９の内部に分光部１３が密閉されるように配置され、環状部４０の内部に形成された空間全体にわたって、光吸収部４１が充填されている。光吸収材料としては、例えば、シリコーン系、エポキシ系、ウレタン系、アクリル系、ポリイミド系等の樹脂に、黒色フィラー等の光を吸収する粒子等を混合した複合材料を用いることができる。これら光吸収材料は、固体状であっても液状であってもよい。光吸収部４１は、ステム５に支持部材２９を実装した後に、支持部材２９内に光吸収材料を充填し、支持部材２９上に分光モジュール３を実装することにより形成することができる。
【００５０】
また、支持部材２９により固定された分光モジュール３は、その光入射部１７が導光部である光ファイバ７の端部に対向する位置に調整され配置されている。更に、パッケージ２内に導入された光ファイバ７の端部が、分光モジュール３の光入射部１７に当接されるように挿入されている。このため、導光部を構成する光ファイバ７の位置決めが容易となり、光ファイバ７から光入射部１７に確実に光を入射させることができる。
【００５１】
また、基板１１の上面１１ａに形成された電極パッド２３と、ステム５のリードピン９とが、ワイヤ３１によりワイヤボンディングされて電気的に接続されている。
【００５２】
以上の構成を有する分光器１において、光ファイバ７から導入され、光検出素子１２の半導体基板１４に設けられた光入射部１７から入射した対象光Ｌは、基板１１の下面１１ｂに到達し、グレーティング基体２５を通過して分光部１３へと入射する。
【００５３】
入射した光は、分光部１３の反射層２８によって反射されると同時にその波長によって各スペクトル成分へと分解され、グレーティング基体２５を介して基板１１の上面１１ａに向けて出射される。そして、分光された光のスペクトル成分は、上面１１ａ上に設けられたフォトダイオードアレイ１６へと集束されつつ入射し、それぞれ対応するフォトダイオード１５によって検出される。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係る分光器１によれば、分光モジュール３を支持する支持部材２９が分光部１３を包囲する環状部４０を有し、この環状部４０内に形成された空間に光吸収部４１が充填されているので、外部から分光部１３へ侵入する迷光を確実に遮光すると共に、分光部１３内で発生する迷光を確実に吸収することができる。このため、これら迷光をノイズとして検出することがない。したがって、分光器１の信頼性、特に正確な分光特性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【００５５】
次に、他の第２実施形態に係る分光器について説明する。
【００５６】
図１３に示されるように、上記第２実施形態に係る分光器において、支持部材２９の形状を他の形状に代えることができる。
【００５７】
図１３に示されるように、他の第２実施形態に係る分光器１ａは、上記第２実施形態の矩形環状の支持部材２９に代えて、一面が開口した箱状の支持部材４３が設けられている。この支持部材４３は、矩形環状の側壁（環状部）４３ａと、この側壁４３ａのステム５側の一端を塞ぐように形成された矩形の下壁（板状部）４３ｂとを有している。基板１１側において、支持部材４３は、開口した端部が、分光モジュール３における基板１１の上面１１ａ上に形成された電極パッド２３の位置に対向する下面１１ｂの位置に沿うように、基板１１に接合されている。一方、ステム５側においては、下壁４３ｂの外面が、ステム５に接合されている。
【００５８】
この他の第２実施形態に係る分光器１ａによれば、支持部材４３が側壁４３ａのステム５側の一端を覆うように形成された矩形の下壁４３ｂを有しているので、支持部材４３をパッケージ２内に固定する際に、予め側壁４３ａ内に形成される空間に光吸収部４１となる光吸収材料を充填することができる。したがって、光吸収部４１が形成された分光器１ａを容易に製造することができる。
【００５９】
また、図１４及び図１５に示されるように、上記第２実施形態に係る分光器において、導光部の構成を他の構成に代えることができる。
【００６０】
図１４に示されるように、更に他の第２実施形態に係る分光器１ｂは、上記第２実施形態の光ファイバ７に代えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃを内側から覆うように入射窓７ａが設けられている。この入射窓７ａの材質は、対象光を透過することができれば特に制限されない。例えば、石英、硼珪酸ガラス（ＢＫ７）、パイレックス（登録商標）ガラス、コバール等を用いることができる。また、この入射窓７ａには必要に応じてＡＲ（Anti Reflection）コートを施してもよい。
【００６１】
この他の第２実施形態に係る分光器１ｂによれば、入射窓７ａと分光モジュール３の光入射部１７との距離を正確に規定することができる。
【００６２】
また、図１５に示されるように、更に他の第２実施形態に係る分光器１ｃは、上記第２実施形態の光ファイバ７に加えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃにボールレンズ７ｂが設けられている。光ファイバ７は、パッケージ２の内部に延びることなく、ボールレンズ７ｂの上部付近まで延びるように、コネクタ６内の中空部に挿入されている。なお、本実施形態において、光ファイバ７及びコネクタ６を省略し、ボールレンズ７ｂのみを導光部とした構成としてもよい。なお、レンズを透過した光の集光位置は、好適には光入射部１７であり、レンズはボール形状に限ったものではなく、凹面、凸面、シリンドリカル、フレネル、アクロマティックレンズ等であってもよい。
【００６３】
また、パッケージについても、上記実施形態で示したＣＡＮパッケージの構成以外にも様々な構成のものを用いてもよい。例えば、リードピンをパッケージの側面側に設けたバタフライパッケージ又はセラミックパッケージの構成を用いることもできる。
【符号の説明】
【００６４】
１…分光器、２…パッケージ、４…キャップ、５…ステム、７…光ファイバ（導光部）、９…リードピン、１１…基板、１２…光検出素子、１３…分光部、１７…光入射部（開口部）、２９，４３…支持部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージ内に分光モジュールが収容されてなる分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光器は、測定対象となる光をプリズムや回折格子等の分光部で各スペクトル成分に分解する光学装置である（例えば、特許文献１参照）。このような分光器によれば、分光部で分光された光のスペクトル成分を光検出素子により検出することで、光の波長分布や特定波長成分の強度等を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１４５７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、様々な分光測定装置や測定システムに対して適用される小型の分光器の開発が進められている。小型の分光器においては、光入射部、光検出素子、分光部等の各光学要素を高い位置精度で配置すると共に、パッケージをコンパクトにする必要がある。このような小型の分光器は、使用場所を問わずその場での光分析を可能にし、環境計測、果物等の糖度確認、プリンタ等の色補正等に使用することができる。そのため、使用環境によっては、分光器に振動や熱的負荷が加えられ、各光学要素の位置精度に影響を及ぼすことがある。したがって、特に小型の分光器には、様々な使用環境に対応するため高い信頼性が要求される。
【０００５】
上記特許文献１には、各種光学素子が装着される光学ベンチと、この光学ベンチが収容される容器とを備える分光器が開示されている。この分光器においては、光学ベンチは、光学素子が取り付けられる素子取付部と、容器に固定される容器固定部とを有し、素子取付部は、容器固定部に対して片持ちはりの構造で形成されている。
【０００６】
このような上記特許文献１記載の分光器を小型化した場合、容器の内壁面と、収容される各種光学素子との間隔がより狭くなる。そして、素子取付部が容器固定部に対して片持ちはりの構造で形成されているために、分光器に振動や熱的負荷が加えられると、光学素子が容器の内壁面と接触し、場合によっては破損するおそれがある。
【０００７】
そこで本発明では、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性を維持しつつ小型化を図ることができる分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の分光器は、導光部が設けられたキャップと、ステムと、を有するパッケージと、パッケージ内においてステムに支持された支持部と、支持部に支持された基板と、基板に搭載された光検出素子と、基板とステムとの間に配置され、導光部から入射した光を分光すると共に光検出素子に反射する分光部と、を備える。
【０００９】
また、基板には、導光部から分光部に光を入射させる光入射部が設けられていてもよい。また、光検出素子は、半導体基板を有し、半導体基板には、導光部から分光部に光を入射させる光入射部が設けられていてもよい。また、キャップとステムとは、気密に接合されていてもよい。また、導光部は、キャップに設けられた開口部を覆う入射窓であってもよい。また、分光器は、支持部の外側且つキャップの内側の領域においてステムを貫通し、光検出素子と電気的に接続されたリードピンを更に備えてもよい。また、リードピンは、ステムの互いに対向する一対の側縁部のそれぞれに複数配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、信頼性を維持しつつ、分光器の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の係る分光器の断面図である。
【図２】図１に示した分光器の分解斜視図である。
【図３】図１に示した分光モジュールの断面図である。
【図４】図３に示した光検出素子の斜視図である。
【図５】他の第１実施形態に係る分光器の分解斜視図である。
【図６】更に他の第１実施形態に係る分光器の分解斜視図である。
【図７】更に他の第１実施形態に係る分光器の断面図である。
【図８】更に他の第１実施形態に係る分光器の断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【図１０】図９に示した分光器の分解斜視図である。
【図１１】図９に示した分光モジュールの断面図である。
【図１２】図１１に示した光検出素子の斜視図である。
【図１３】他の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【図１４】更に他の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【図１５】更に他の第２実施形態に係る分光器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の知見は、例示のみのために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
【００１３】
図１及び図２に示されるように、本発明の第１実施形態に係る分光器１は、パッケージ２内に収容された分光モジュール３により、外部からパッケージ２内に入射した対象光を分光し、その分光された光のスペクトルを検出して出力するための装置である。
【００１４】
パッケージ２は、一端が開口された直方体箱状の金属製のキャップ４と、周縁部に段差部が設けられた矩形板状の金属製のステム５とを含む、いわゆるＣＡＮパッケージの構成を有している。キャップ４は、開口端から外側に向かって突出するフランジ４ａを有し、このフランジ４ａとステム５の段差部とが溶接により接合され、開口部分が塞がれている。このため、パッケージ２は、気密なパッケージとすることができ、分光器１の信頼性を高めることができる。キャップ４の上壁４ｂには、円形状に開口したキャップ開口部４ｃが形成され、このキャップ開口部４ｃを覆うように中空のコネクタ６が設けられている。このコネクタ６の中空部分には、光ファイバ７（導光部）が挿入されている。なお、図２においては、コネクタ６及び光ファイバ７は省略されている。この光ファイバ７は、対象光をパッケージ２内に導入するために、キャップ開口部４ｃからパッケージ２内に延びている。ステム５の互いに対向する一対の側縁部に、複数のリードピン９が、電気的に絶縁性を有する低融点ガラス８を介して固定されることで、パッケージ２はハーメティックシール（気密シール）とされている。このリードピン９は、銅線等の導電性材料からなり、その一端部はパッケージ２の内部に延び、他端部はパッケージ２の外部に導出されている。
【００１５】
図３に示されるように、分光モジュール３は、ガラス又は樹脂材料からなる矩形状の基板（本体部）１１を有している。この基板１１は、分光対象となる所定範囲内の対象光Ｌを通過させ、後述する光検出素子１２及び分光部１３を保持するものである。この基板１１においてキャップ４の上壁４ｂに対向する上面１１ａ上の略中央部には、光を検出するための光検出素子１２が設けられている。
【００１６】
図４に示されるように、光検出素子１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる半導体基板１４を有している。この半導体基板１４の上面１４ａ上には、複数のフォトダイオード１５を有するフォトダイオードアレイ１６が所定の配列で形成されている。このフォトダイオードアレイ１６は、分光された光のスペクトル成分の検出に用いられるものである。なお、光検出素子１２はフォトダイオードアレイに限られたものではなく、ＣＣＤイメージセンサやＣ‐ＭＯＳイメージセンサ等であってもよい。
【００１７】
また、半導体基板１４には、上面１４ａから下面へと貫通する矩形スリット状の開口部１７が形成されている。この開口部１７は、本光検出素子１２を基板１１に搭載し分光器に適用した場合に、フォトダイオード１５で検出する対象光を基板１１に入射させるための光入射部として用いられるものである。これは、フォトダイオードアレイ１６に対して所定の位置関係で、あらかじめ位置決めされて設けられている。なお、光入射部（開口部）１７は、半導体基板１４とは別体で基板１１の上面１１ａ上に形成してもよい。
【００１８】
更に、上面１４ａには、電子回路部１８が設けられている。この電子回路部１８には、各フォトダイオード１５へのバイアス電圧の印加及び信号処理に必要な配線や回路等が設けられている。また、上面１４ａ上の左側及び右側の端部には、それぞれ電気信号の入出力等に用いられるバンプ用電極パッド１９が設けられている。
【００１９】
図３に戻って、基板１１の上面１１ａ上には、光検出素子１２の入出力信号等を伝送するための基板配線２１が複数形成されている。各基板配線２１の一端は、光検出素子１２を固定するためのＡｕ等のバンプ２２に接続され、他端は、上面１１ａ上の周縁部に形成された外部入出力のための電極パッド２３に接続されている。光検出素子１２は、フォトダイオードアレイ１６が形成された半導体基板１４の上面１４ａと、基板１１の上面１１ａとが対向するようにバンプ２２によりバンプボンディングされ、基板１１に搭載されている。また、バンプボンディングにより、基板１１と光検出素子１２との間に生じたギャップには、アンダーフィル材２４が充填され、光学的なカップリングがなされている。
【００２０】
また、基板１１の下面１１ｂ（所定の面、上面１１ａと対向する面）において、光入射部１７から入射する対象光Ｌの光路上となる所定の位置には、ガラス又は透光性樹脂等、光を透過する材料からなるグレーティング基体２５が設けられている。このグレーティング基体２５は、基板１１の下面１１ｂ上又はその近傍の所定位置を中心とする基板１１の外側に向かって突出した略半球状のレンズである。このグレーティング基体２５は、基板１１と別体で設けてもよいし、基板１１の下面１１ｂ上に一定の曲率を有する曲面部分を形成することによって基板１１と一体に設けてもよい。
【００２１】
また、グレーティング基体２５の表面には、分光部１３が設けられている。この分光部１３は、光入射部１７から入射してグレーティング基体２５を通過した対象光Ｌを分光するものである。本実施形態に係る分光部１３は、グレーティング基体２５上に設けられた樹脂材料からなる回折層２７と、この回折層２７の表面に設けられたアルミニウム等の金属反射膜からなる反射層２８とから構成された反射型の凹面回折格子である。また、回折層２７の表面、すなわち反射面は、グレーティング基体２５の曲面（表面）の曲率半径と略同一の曲率半径を有し、光の分散方向がフォトダイオードアレイ１６でのフォトダイオード１５の配列方向と一致するように調整され形成されている。本実施形態においては、回折層２７が樹脂材料からなることから、所定の形状に成形することが容易となる。また、支持部材２９により、パッケージ２の内壁面、すなわちステム５と分光部１３とが離間していることから、キャップ４及びステム５の溶接時の熱が分光部１３に伝熱しにくいので、熱に対して不具合の生じやすい樹脂材料からなる回折層２７を保護することができる。
【００２２】
図１及び図２に戻って、上述した分光モジュール３は、パッケージ２内において、分光部１３を包囲するように矩形環状の支持部材２９を介して支持され、ステム５に固定されている。支持部材２９は、分光モジュール３における基板１１の上面１１ａ上に形成された電極パッド２３の位置に対向する下面１１ｂの位置で、基板１１に接合されている。このため、電極パッド２３とリードピン９とをワイヤボンディングによって接続する際に、支持部材２９が基台の役割をはたすので、分光モジュール３の破損等を防止することができる。また、この支持部材２９は、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。更に、矩形環状の支持部材２９の内部に分光部１３が密閉されるように配置されている。これにより、分光部１３がステム５に接触するのを確実に防止することができると共に、分光部１３を迷光から遮光することができる。
【００２３】
また、支持部材２９により固定された分光モジュール３は、その光入射部１７が導光部である光ファイバ７の端部に対向する位置に調整され配置されている。更に、パッケージ２内に導入された光ファイバ７の端部が、分光モジュール３の光入射部１７に当接されるように挿入されている。このため、導光部を構成する光ファイバ７の位置決めが容易となり、光ファイバ７から光入射部１７に確実に光を入射させることができる。
【００２４】
また、基板１１の上面１１ａに形成された電極パッド２３と、ステム５のリードピン９とが、ワイヤ３１によりワイヤボンディングされて電気的に接続されている。
【００２５】
以上の構成を有する分光器１において、光ファイバ７から導入され、光検出素子１２の半導体基板１４に設けられた光入射部１７から入射した対象光Ｌは、基板１１の下面１１ｂに到達し、グレーティング基体２５を通過して分光部１３へと入射する。
【００２６】
入射した光は、分光部１３の反射層２８によって反射されると同時にその波長によって各スペクトル成分へと分解され、グレーティング基体２５を介して基板１１の上面１１ａに向けて出射される。そして、分光された光のスペクトル成分は、上面１１ａ上に設けられたフォトダイオードアレイ１６へと集束されつつ入射し、それぞれ対応するフォトダイオード１５によって検出される。
【００２７】
以上のように、本実施形態に係る分光器１によれば、分光モジュール３が、基板１１の下面１１ｂに設けられた分光部１３がステム５から離間した状態で下面１１ｂにおいて支持部材２９によって支持されているので、分光器１を小型化しても、分光部１３がステム５に接触するのを防止することができる。したがって、分光器１の信頼性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【００２８】
次に、他の第１実施形態に係る分光器について説明する。
【００２９】
図５及び６に示されるように、上記第１実施形態に係る分光器において、支持部材２９の形状を他の形状に代えることができる。
【００３０】
図５に示されるように、他の第１実施形態に係る分光器１ａは、上記第１実施形態の矩形環状の支持部材２９に代えて、一対の棒状の支持部材２９ａが分光部１３を挟んで対向する位置に設けられている。この棒状の支持部材２９ａは、基板１１側においては、基板１１の上面１１ａ上に設けられた複数の電極パッド２３の配列方向に沿って、電極パッド２３に対向する下面１１ｂの位置に接合されている。また、支持部材２９ａは、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。
【００３１】
この他の第１実施形態に係る分光器１ａによれば、棒状の支持部材２９ａが分光部１３を挟んで対向するように一対配置されているので、分光部１３がステム５に接触するのをより確実に防止することができる。
【００３２】
また、図６に示されるように、更に他の第１実施形態に係る分光器１ｂは、上記第１実施形態の矩形環状の支持部材２９に代えて、２対の柱状の支持部材２９ｂが分光部１３を挟んで対向する位置に設けられている。具体的には、この柱状の支持部材２９ｂは、矩形状の基板１１の四つ角部に対応する位置に配置され、基板１１の上面１１ａ上に設けられた電極パッド２３に対向する下面１１ｂの位置で接合されている。また、支持部材２９ｂは、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。
【００３３】
この他の第１実施形態に係る分光器１ｂによれば、柱状の支持部材２９ｂが分光部１３を挟んで対向するように２対配置されているので、分光部１３がステム５に接触するのをより確実に防止することができる。
【００３４】
また、図７及び図８に示されるように、上記第１実施形態に係る分光器において、導光部の構成を他の構成に代えることができる。
【００３５】
図７に示されるように、更に他の第１実施形態に係る分光器１ｃは、上記第１実施形態の光ファイバ７に代えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃを内側から覆うように入射窓７ａが設けられている。この入射窓７ａの材質は、対象光を透過することができれば特に制限されない。例えば、石英、硼珪酸ガラス（ＢＫ７）、パイレックス（登録商標）ガラス、コバール等を用いることができる。また、この入射窓７ａには必要に応じてＡＲ（Anti Reflection）コートを施してもよい。
【００３６】
この他の第１実施形態に係る分光器１ｃによれば、入射窓７ａと分光モジュール３の光入射部１７との距離を正確に規定することができる。
【００３７】
また、図８に示されるように、更に他の第１実施形態に係る分光器１ｄは、上記第１実施形態の光ファイバ７に加えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃにボールレンズ７ｂが設けられている。光ファイバ７は、パッケージ２の内部に延びることなく、ボールレンズ７ｂの上部付近まで延びるように、コネクタ６内の中空部に挿入されている。なお、本実施形態において、光ファイバ７及びコネクタ６を省略し、ボールレンズ７ｂのみを導光部とした構成としてもよい。
【００３８】
また、パッケージについても、上記実施形態で示したＣＡＮパッケージの構成以外にも様々な構成のものを用いてもよい。例えば、リードピンをパッケージの側面側に設けたバタフライパッケージ又はセラミックパッケージの構成を用いることもできる。
［第２実施形態］
【００３９】
図９及び図１０に示されるように、本発明の第２実施形態に係る分光器１は、パッケージ２内に収容された分光モジュール３により、外部からパッケージ２内に入射した対象光を分光し、その分光された光のスペクトルを検出して出力するための装置である。
【００４０】
パッケージ２は、一端が開口された直方体箱状の金属製のキャップ４と、周縁部に段差部が設けられた矩形板状の金属製のステム５とを含む、いわゆるＣＡＮパッケージの構成を有している。キャップ４は、開口端から外側に向かって突出するフランジ４ａを有し、このフランジ４ａとステム５の段差部とが溶接により接合され、開口部分が塞がれている。このため、パッケージ２は、気密なパッケージとすることができ、分光器１の信頼性を高めることができる。キャップ４の上壁４ｂには、円形状に開口したキャップ開口部４ｃが形成され、このキャップ開口部４ｃを覆うように中空のコネクタ６が設けられている。このコネクタ６の中空部分には、光ファイバ７（導光部）が挿入されている。なお、図１０においては、コネクタ６及び光ファイバ７は省略されている。この光ファイバ７は、対象光をパッケージ２内に導入するために、キャップ開口部４ｃからパッケージ２内に延びている。ステム５の互いに対向する一対の側縁部に、複数のリードピン９が、電気的に絶縁性を有する低融点ガラス８を介して固定されることで、パッケージ２はハーメティックシール（気密シール）とされている。このリードピン９は、銅線等の導電性材料からなり、その一端部はパッケージ２の内部に延び、他端部はパッケージ２の外部に導出されている。
【００４１】
図１１に示されるように、分光モジュール３は、ガラス又は樹脂材料からなる矩形状の基板（本体部）１１を有している。この基板１１は、分光対象となる所定範囲内の対象光Ｌを通過させ、後述する光検出素子１２及び分光部１３を保持するものである。この基板１１においてキャップ４の上壁４ｂに対向する上面１１ａ上の略中央部には、光を検出するための光検出素子１２が設けられている。
【００４２】
図１２に示されるように、光検出素子１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる半導体基板１４を有している。この半導体基板１４の上面１４ａ上には、複数のフォトダイオード１５を有するフォトダイオードアレイ１６が所定の配列で形成されている。このフォトダイオードアレイ１６は、分光された光のスペクトル成分の検出に用いられるものである。
【００４３】
また、半導体基板１４には、上面１４ａから下面へと貫通する矩形スリット状の開口部１７が形成されている。この開口部１７は、本光検出素子１２を基板１１に搭載し分光器に適用した場合に、フォトダイオード１５で検出する対象光を基板１１に入射させるための光入射部として用いられるものである。これは、フォトダイオードアレイ１６に対して所定の位置関係で、あらかじめ位置決めされて設けられている。なお、光入射部（開口部）１７は、半導体基板１４とは別体で基板１１の上面１１ａ上に形成してもよい。
【００４４】
更に、上面１４ａには、電子回路部１８が設けられている。この電子回路部１８には、各フォトダイオード１５へのバイアス電圧の印加及び信号処理に必要な配線や回路等が設けられている。また、上面１４ａ上の左側及び右側の端部には、それぞれ電気信号の入出力等に用いられるバンプ用電極パッド１９が設けられている。
【００４５】
図１１に戻って、基板１１の上面１１ａ上には、光検出素子１２の入出力信号等を伝送するための基板配線２１が複数形成されている。各基板配線２１の一端は、光検出素子１２を固定するためのＡｕ等のバンプ２２に接続され、他端は、上面１１ａ上の周縁部に形成された外部入出力のための電極パッド２３に接続されている。光検出素子１２は、フォトダイオードアレイ１６が形成された半導体基板１４の上面１４ａと、基板１１の上面１１ａとが対向するようにバンプ２２によりバンプボンディングされ、基板１１に搭載されている。また、バンプボンディングにより、基板１１と光検出素子１２との間に生じたギャップには、アンダーフィル材２４が充填され、光学的なカップリングがなされている。
【００４６】
また、基板１１の下面１１ｂ（所定の面、上面１１ａと対向する面）において、光入射部１７から入射する対象光Ｌの光路上となる所定の位置には、ガラス又は透光性樹脂等、光を透過する材料からなるグレーティング基体２５が設けられている。このグレーティング基体２５は、基板１１の下面１１ｂ上又はその近傍の所定位置を中心とする基板１１の外側に向かって突出した略半球状のレンズである。このグレーティング基体２５は、基板１１と別体で設けてもよいし、基板１１の下面１１ｂ上に一定の曲率を有する曲面部分を形成することによって基板１１と一体に設けてもよい。
【００４７】
また、グレーティング基体２５の表面には、分光部１３が設けられている。この分光部１３は、光入射部１７から入射してグレーティング基体２５を通過した対象光Ｌを分光するものである。本実施形態に係る分光部１３は、グレーティング基体２５上に設けられた樹脂材料からなる回折層２７と、この回折層２７の表面に設けられたアルミニウム等の金属反射膜からなる反射層２８とから構成された反射型の凹面回折格子である。また、回折層２７の表面、すなわち反射面は、グレーティング基体２５の曲面（表面）の曲率半径と略同一の曲率半径を有し、光の分散方向がフォトダイオードアレイ１６でのフォトダイオード１５の配列方向と一致するように調整され形成されている。本実施形態においては、回折層２７が樹脂材料からなることから、所定の形状に成形することが容易となる。また、支持部材２９により、パッケージ２の内壁面、すなわちステム５と分光部１３とが離間していることから、キャップ４及びステム５の溶接時の熱が分光部１３に伝熱しにくいので、熱に対して不具合の生じやすい樹脂材料からなる回折層２７を保護することができる。
【００４８】
図９及び図１０に戻って、上述した分光モジュール３は、パッケージ２内において、分光部１３を包囲するように矩形環状の支持部材２９（環状部４０）を介して支持され、ステム５に固定されている。支持部材２９は、分光モジュール３における基板１１の上面１１ａ上に形成された電極パッド２３の位置に対向する下面１１ｂの位置で、基板１１に接合されている。このため、電極パッド２３とリードピン９とをワイヤボンディングによって接続する際に、支持部材２９が基台の役割をはたすので、分光モジュール３の破損等を防止することができる。また、この支持部材２９は、その高さが基板１１から外側に突出した分光部１３（反射層２８）の高さよりも高いものが用いられ、ステム５と分光部１３とが離間するように配置されている。これにより、分光器１に振動や熱的負荷が加えられても、分光部１３がステム５に接触するのを防止することができる。したがって、分光器１の信頼性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【００４９】
更に、矩形環状の支持部材２９の内部に分光部１３が密閉されるように配置され、環状部４０の内部に形成された空間全体にわたって、光吸収部４１が充填されている。光吸収材料としては、例えば、シリコーン系、エポキシ系、ウレタン系、アクリル系、ポリイミド系等の樹脂に、黒色フィラー等の光を吸収する粒子等を混合した複合材料を用いることができる。これら光吸収材料は、固体状であっても液状であってもよい。光吸収部４１は、ステム５に支持部材２９を実装した後に、支持部材２９内に光吸収材料を充填し、支持部材２９上に分光モジュール３を実装することにより形成することができる。
【００５０】
また、支持部材２９により固定された分光モジュール３は、その光入射部１７が導光部である光ファイバ７の端部に対向する位置に調整され配置されている。更に、パッケージ２内に導入された光ファイバ７の端部が、分光モジュール３の光入射部１７に当接されるように挿入されている。このため、導光部を構成する光ファイバ７の位置決めが容易となり、光ファイバ７から光入射部１７に確実に光を入射させることができる。
【００５１】
また、基板１１の上面１１ａに形成された電極パッド２３と、ステム５のリードピン９とが、ワイヤ３１によりワイヤボンディングされて電気的に接続されている。
【００５２】
以上の構成を有する分光器１において、光ファイバ７から導入され、光検出素子１２の半導体基板１４に設けられた光入射部１７から入射した対象光Ｌは、基板１１の下面１１ｂに到達し、グレーティング基体２５を通過して分光部１３へと入射する。
【００５３】
入射した光は、分光部１３の反射層２８によって反射されると同時にその波長によって各スペクトル成分へと分解され、グレーティング基体２５を介して基板１１の上面１１ａに向けて出射される。そして、分光された光のスペクトル成分は、上面１１ａ上に設けられたフォトダイオードアレイ１６へと集束されつつ入射し、それぞれ対応するフォトダイオード１５によって検出される。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係る分光器１によれば、分光モジュール３を支持する支持部材２９が分光部１３を包囲する環状部４０を有し、この環状部４０内に形成された空間に光吸収部４１が充填されているので、外部から分光部１３へ侵入する迷光を確実に遮光すると共に、分光部１３内で発生する迷光を確実に吸収することができる。このため、これら迷光をノイズとして検出することがない。したがって、分光器１の信頼性、特に正確な分光特性を維持しつつ小型化を図ることができる。
【００５５】
次に、他の第２実施形態に係る分光器について説明する。
【００５６】
図１３に示されるように、上記第２実施形態に係る分光器において、支持部材２９の形状を他の形状に代えることができる。
【００５７】
図１３に示されるように、他の第２実施形態に係る分光器１ａは、上記第２実施形態の矩形環状の支持部材２９に代えて、一面が開口した箱状の支持部材４３が設けられている。この支持部材４３は、矩形環状の側壁（環状部）４３ａと、この側壁４３ａのステム５側の一端を塞ぐように形成された矩形の下壁（板状部）４３ｂとを有している。基板１１側において、支持部材４３は、開口した端部が、分光モジュール３における基板１１の上面１１ａ上に形成された電極パッド２３の位置に対向する下面１１ｂの位置に沿うように、基板１１に接合されている。一方、ステム５側においては、下壁４３ｂの外面が、ステム５に接合されている。
【００５８】
この他の第２実施形態に係る分光器１ａによれば、支持部材４３が側壁４３ａのステム５側の一端を覆うように形成された矩形の下壁４３ｂを有しているので、支持部材４３をパッケージ２内に固定する際に、予め側壁４３ａ内に形成される空間に光吸収部４１となる光吸収材料を充填することができる。したがって、光吸収部４１が形成された分光器１ａを容易に製造することができる。
【００５９】
また、図１４及び図１５に示されるように、上記第２実施形態に係る分光器において、導光部の構成を他の構成に代えることができる。
【００６０】
図１４に示されるように、更に他の第２実施形態に係る分光器１ｂは、上記第２実施形態の光ファイバ７に代えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃを内側から覆うように入射窓７ａが設けられている。この入射窓７ａの材質は、対象光を透過することができれば特に制限されない。例えば、石英、硼珪酸ガラス（ＢＫ７）、パイレックス（登録商標）ガラス、コバール等を用いることができる。また、この入射窓７ａには必要に応じてＡＲ（Anti Reflection）コートを施してもよい。
【００６１】
この他の第２実施形態に係る分光器１ｂによれば、入射窓７ａと分光モジュール３の光入射部１７との距離を正確に規定することができる。
【００６２】
また、図１５に示されるように、更に他の第２実施形態に係る分光器１ｃは、上記第２実施形態の光ファイバ７に加えて、キャップ４のキャップ開口部４ｃにボールレンズ７ｂが設けられている。光ファイバ７は、パッケージ２の内部に延びることなく、ボールレンズ７ｂの上部付近まで延びるように、コネクタ６内の中空部に挿入されている。なお、本実施形態において、光ファイバ７及びコネクタ６を省略し、ボールレンズ７ｂのみを導光部とした構成としてもよい。なお、レンズを透過した光の集光位置は、好適には光入射部１７であり、レンズはボール形状に限ったものではなく、凹面、凸面、シリンドリカル、フレネル、アクロマティックレンズ等であってもよい。
【００６３】
また、パッケージについても、上記実施形態で示したＣＡＮパッケージの構成以外にも様々な構成のものを用いてもよい。例えば、リードピンをパッケージの側面側に設けたバタフライパッケージ又はセラミックパッケージの構成を用いることもできる。
【符号の説明】
【００６４】
１…分光器、２…パッケージ、４…キャップ、５…ステム、７…光ファイバ（導光部）、９…リードピン、１１…基板、１２…光検出素子、１３…分光部、１７…光入射部（開口部）、２９，４３…支持部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光部が設けられたキャップと、ステムと、を有するパッケージと、
前記パッケージ内において前記ステムに支持された支持部と、
前記支持部に支持された基板と、
前記基板に搭載された光検出素子と、
前記基板と前記ステムとの間に配置され、前記導光部から入射した光を分光すると共に前記光検出素子に反射する分光部と、を備える、分光器。
【請求項２】
前記基板には、前記導光部から前記分光部に光を入射させる光入射部が設けられている、請求項１記載の分光器。
【請求項３】
前記光検出素子は、半導体基板を有し、
前記半導体基板には、前記導光部から前記分光部に光を入射させる光入射部が設けられている、請求項１又は２記載の分光器。
【請求項４】
前記キャップと前記ステムとは、気密に接合されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の分光器。
【請求項５】
前記導光部は、前記キャップに設けられた開口部を覆う入射窓である、請求項１〜４のいずれか一項記載の分光器。
【請求項６】
前記支持部の外側且つ前記キャップの内側の領域において前記ステムを貫通し、前記光検出素子と電気的に接続されたリードピンを更に備える、請求項１〜５のいずれか一項記載の分光器。
【請求項７】
前記リードピンは、前記ステムの互いに対向する一対の側縁部のそれぞれに複数配置されている、請求項６記載の分光器。
【請求項１】
導光部が設けられたキャップと、ステムと、を有するパッケージと、
前記パッケージ内において前記ステムに支持された支持部と、
前記支持部に支持された基板と、
前記基板に搭載された光検出素子と、
前記基板と前記ステムとの間に配置され、前記導光部から入射した光を分光すると共に前記光検出素子に反射する分光部と、を備える、分光器。
【請求項２】
前記基板には、前記導光部から前記分光部に光を入射させる光入射部が設けられている、請求項１記載の分光器。
【請求項３】
前記光検出素子は、半導体基板を有し、
前記半導体基板には、前記導光部から前記分光部に光を入射させる光入射部が設けられている、請求項１又は２記載の分光器。
【請求項４】
前記キャップと前記ステムとは、気密に接合されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の分光器。
【請求項５】
前記導光部は、前記キャップに設けられた開口部を覆う入射窓である、請求項１〜４のいずれか一項記載の分光器。
【請求項６】
前記支持部の外側且つ前記キャップの内側の領域において前記ステムを貫通し、前記光検出素子と電気的に接続されたリードピンを更に備える、請求項１〜５のいずれか一項記載の分光器。
【請求項７】
前記リードピンは、前記ステムの互いに対向する一対の側縁部のそれぞれに複数配置されている、請求項６記載の分光器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２０８１３４（Ｐ２０１２−２０８１３４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７３０５３（Ｐ２０１２−１７３０５３）
【出願日】平成２４年８月３日（２０１２．８．３）
【分割の表示】特願２００８−５５７３７０（Ｐ２００８−５５７３７０）の分割
【原出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月３日（２０１２．８．３）
【分割の表示】特願２００８−５５７３７０（Ｐ２００８−５５７３７０）の分割
【原出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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